[发明专利]一种船载无人机协同监测港口船舶大气污染路径规划的方法

说明书

本发明提供一种船载无人机协同监测港口船舶大气污染路径规划的方法，属于涉及航运业、环保行业技术领域，本发明方法包括：基于无人机对行驶的船舶进行监测的复杂度，作出假设；基于作出的假设，定义无人机和装载船协同监测问题；构建船载无人机协同监测港口船舶大气污染路径规划模型；基于改进人工蜂群算法，扩展食物源邻域的搜索范围，得到全局最优路径。本发明使用装载船搭载多架无人机协同监测港口区域内的行驶待监测船舶的大气污染情况，并给出船和无人机协同监测的具体方案。本发明可以辅助相关排放法规的执行，减少船舶对港口环境的污染，降低巡航综合成本，提高海上污染处置效率，提升海事巡航监控和综合执法能力。

技术领域

本发明涉及航运业、环保行业技术领域，具体而言，尤其涉及一种船载无人机协同监测港口船舶大气污染路径规划的方法。

背景技术

海上运输在国际供应链中扮演着重要的角色，90％左右的世界贸易都是通过航运完成的，伴随着航运业的快速发展，港口船舶数量不断增多，船舶大气对环境的污染也越来越严重。目前船舶大气污染已成为继机动车尾气排放、工业企业排放之后第三大大气污染源。为此，国际海事组织(IMO)颁布了历史以来最严“限硫令”，规定从2020年1月起，全球海域执行不大于0.5％m/m的船用燃油硫含量标准。2019年，中国交通运输部海事局也要求各类海船在内河排放控制区(ECA)使用的船用燃油硫含量不大于0.1％m/m；各类海船在沿海大气污染物排放控制区(ECA)使用的船用燃油硫含量不大于0.5％m/m。为了确保相关执法部门有效地实施相关法规，船舶大气污染监测至关重要。目前传统的人工登船、定点监测等方法已经不能满足船舶大气污染监测的需求。尤其是COVID-19爆发以来，港口成为疫情传播的重要节点，基本暂停了登船监测作业。

近年来，随着无人机技术的成熟，使用无人机实现船舶大气污染监测已成为可能，尤其在疫情和疫情后时代仍可以保障持续性监测。所以，利用无人机搭载嗅探器监测船舶大气污染成为学术研究和实践尝试应用的热点。例如，2019年11月，大连海事局利用无人机对老铁山水道、大三山航道等船舶交通流密集海域进行了船舶大气污染监测；2020年4月23日，扬州海事局使用搭载嗅探器的大江M210无人机，通过支持实时可视化分析的软件监测十余艘船舶排放的废气。同时关于利用无人机监测船舶大气污染的研究也备受学者们的关注，近年来在Transportation Research Part B、Atmospheric Measurement Techniques、Transportation Research Part E等国际重要期刊上都有相关论文发表。

在借助无人机进行船舶大气污染监测时，核心问题是要给出无人机监测的路径规划方案。它需要解决以下问题：无人机充电问题、港口内被监测水域面积大、船舶数量多、被监测对象是动态行驶的船舶等。本作研究引入装载船作为无人机的电能移动补给基地，研究的问题是归纳成为装载船与无人机的联合路由以及多无人机协同监测的调度问题(SAMU)，目标是优化SAMU的总监测时间。为此，建立了一个装载船、多无人机双层路径规划模型，利用改进的人工蜂群算法对模型进行求解，并以天津港为例，从AIS上获取90艘船舶的实时动态数据验证了该算法的有效性。实现了船与机协同、机与机间的协同、实时监测大规模动态目标的目的。

综上所述，利用船载无人机协同监测港口船舶大气污染路径规划的研究，是根据无人机监测船舶大气污染的大量实际背景以及目前国内外关于船舶大气污染、无人机路径规划等方面的研究发展动态提炼出来的新的研究课题，具有前沿性、探索性和挑战性，无论在理论方法方面，还是在应用实践方面，都具有重要价值。本作研究的理论和实际意义主要体现在：为无人机监测船舶大气污染提供新的思路和途径；为改进和完善船载无人机协同监测港口船舶大气污染路径规划研究提供支撑；辅助政府监管部门(如海事局、环保局等)相关排放法规的执行，减少船舶对港口环境的污染。